INTRODUCCIÓN A LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR
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INTRODUCCIÓN A LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR Los intercambiadores de calor son aparatos para transferir calor desde una corriente fluida caliente a una corriente fluida fría. Existen tres grandes tipos de intercambiadores: el recuperador o intercambiador a través de una pared sin almacenar calor; el intercambiador de contacto directo sin almacenar calor; el regenerador, acumulador o intercambiador con almacenamiento de calor. El tipo a escoger en cada situación depende en gran parte de la naturaleza de las fases presentes, gas-gas, gas-líquido, gas-sólido, líquido-líquido, líquido-sólido, sólido-sólido, y de la solubilidad mutua de dichas fases. A continuación se presentarán algunos ejemplos de estos tres tipos de intercambiadores. RECUPERADORES (INTERCAMBIADORES A TRAVÉS DE UNA PARED SIN ALMACENAMIENTO DE CALOR) En los recuperadores las dos corrientes circulantes están separadas por una pared y el calor tiene que pasar a través de esta pared. Se han utilizado muchos modelos diferentes y una serie de ellos se estudiará en los capítulos posteriores.
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INTRODUCCIÓN A LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR
Los intercambiadores de calor son aparatos para transferir calor desde una corriente fluida
caliente a una corriente fluida fría. Existen tres grandes tipos de intercambiadores:
el recuperador o intercambiador a través de una pared sin almacenar calor;
el intercambiador de contacto directo sin almacenar calor;
el regenerador, acumulador o intercambiador con almacenamiento de calor.
El tipo a escoger en cada situación depende en gran parte de la naturaleza de las fases
presentes, gas-gas, gas-líquido, gas-sólido, líquido-líquido, líquido-sólido, sólido-sólido, y
de la solubilidad mutua de dichas fases.
A continuación se presentarán algunos ejemplos de estos tres tipos de intercambiadores.
RECUPERADORES (INTERCAMBIADORES A TRAVÉS DE UNA PARED SIN
ALMACENAMIENTO DE CALOR)
En los recuperadores las dos corrientes circulantes están separadas por una pared y el calor
tiene que pasar a través de esta pared. Se han utilizado muchos modelos diferentes y una
serie de ellos se estudiará en los capítulos posteriores.
En la Fig. 12.1 se indican los esquemas de algunos de estos numerosos modelos diferentes.
Los recuperadores son ciertamente menos eficaces que los intercambiadores de contacto
directo, ya que la presencia de la pared estorba el flujo de calor, Pero este tipo de
intercambiador se utiliza cuando los fluidos no pueden ponerse en contacto directo, como
sistemas gas-gas, líquidos miscibles, sólidos solubles o productos reactivos.
Fig. 12.1. Tipos diversos de recuperadores o intercambiadores a través de una pared.
INTERCAMBIADORES DE CONTACTO DIRECTO SIN ALMACENAMIENTO
DE CALOR
En los intercambiadores de contacto directo sin almacenamiento de calor las corrientes
contactan una con otra íntimamente, cediendo la corriente más caliente directamente su
calor a la corriente más fría. Este tipo de intercambiador se utiliza naturalmente cuando las
dos fases en contacto son mutuamente insolubles y no reaccionan una con otra. Por
consiguiente, no puede utilizarse con sistemas gas-gas.
Fig. 12.2. Intercambiadores de contacto directo gas-líquido sin almacenamiento de
calor.
Los intercambiadores de calor de contacto directo son de tres amplios tipos. En primer
lugar, se tienen los intercambiadores gas-sólido. En la Fig. 12.2 se muestra que diversas
formas de los mismos.
A continuación se tiene los intercambiadores fluido-fluido, en los que los dos fluidos en
contacto son mutuamente inmiscibles. En la Fig. 12.3 se muestran algunos esquemas.
Finalmente, no siempre es necesario que los dos fluidos en contacto sean mutuamente
insolubles, p la Fig. 12.4 muestra intercambiadores donde uno de los fluidos circulantes se
disuelve en el otro. En particular, en los sistemas aire-agua el intercambiador de contacto
directo es de gran importancia ya que justo una de las fases (agua) se disuelve, o evapora,
en la otra fase (aire). La torre de enfriamiento de agua, mostrada en la Fig. 12.4, es un
ejemplo de este tipo, y de hecho, representa el tipo más ampliamente utilizado de
intercambiador de calor en la industria.
El tratamiento adecuado de este tipo de intercambiador requiere la utilización de los
métodos de transferencia simultáneamente de calor y materia, y va más allá del objetivo de
este volumen. El lector interesado puede acudir a Fair (1972a; 1972b) y a muchos libros
estándar sobre operaciones unitarias para ampliar el tema.
Fig. 12.3. Intercambiadores de contacto directo fluido-fluido sin almacenamiento de
calor.
Fig. 12.4. Intercambiadores de calor de contacto directo fluido-fluido en los que una fase
puede disolverse en la otra.
REGENERADORES (INTERCAMBIADORES DE CONTACTO DIRECTO CON
ALMACENAMIENTO DE CALOR)
En los regeneradores una corriente caliente de un gas transfiere su calor a un compuesto
intermedio, normalmente un sólido, que posteriormente cede este calor almacenado a una
segunda corriente de un gas frío. Existe una serie de diferentes maneras de hacer esto, como
se muestra en la Fig. 12.5.
Fig. 12.5. Regeneradores de calor o intercambiadores con almacenamiento de calor: (a) los
sólidos que almacenan el calor están quietos; (b) los sólidos que almacenan el calor circulan
entre las corrientes caliente y fría.
REGENERADORES
En un regenerador, la transferencia de calor entre dos corrientes es transportada por el paso alternado de fluidos calientes y fríos a través de un lecho de sólidos, el cual tiene una apreciable capacidad de almacenamiento de calor. El fluido caliente proporciona calor a los sólidos que se calientan de forma gradual; pero antes de llegar al equilibrio los flujos son cambiados y entonces el fluido frío remueve el calor del lecho. En un tipo de regenerador se utilizan dos lechos idénticos, como en un sistema absorbedor-desorbedor. Un segundo tipo utiliza un lecho rotatorio con forma de una llanta gruesa, con el fluido frío que circula axialmente a través del sector (generalmente 180º) del lecho, mientras que el fluido caliente circula en una dirección contraria a través del otro sector. En regeneradores rotatorios, el lecho es frecuentemente una matriz de barras, pantallas o láminas corrugadas, hace que tenga una gran área de superficie, pero además, una alta fracción de vacíos y una caída de presión más baja que un lecho de partículas.
Los regeneradores ofrecen la ventaja de una área de superficie grande por unidad de volumen y bajo coste comparado con los intercambiadores de coraza y tubos. Además, son fáciles de limpiar, y la coraza puede ser fácilmente reemplazada. El principal problema con las unidades rotatorias es que un poco de fluido se filtra debajo de las láminas deflectoras que separan los sectores calientes y fríos. Además, casi no existe la mezcla de los corrientes debido a que alguno de los fluidos en los espacios vacíos es transportado a través de las láminas hacia otro sector. Para el aire precalentado con gases de combustión caliente, la ligera fuga de gases de combustión dentro del aire, y al revés, no es un grande problema, y los regeneradores rotatorios son ampliamente utilizados en plantas de energía eléctrica. También son utilizados en incineradoras, altos hornos y motores de turbina de gas. En general, los regeneradores son ideales para líquidos, debido a que la capacidad térmica del líquido en los poros podría ser comparable con la de la matriz sólida.
La efectividad de un regenerador depende del número de unidades de transferencia de calor y del ciclo de tiempo. Para capacidades de flujos iguales y resistencias despreciables en el sólido, los coeficientes de película se combinan para obtener un coeficiente global efectivo U.
El número de unidades de transferencia se basa en el área de la superficie total de los dos lechos o de la rueda rotatoria.
Donde :
A continuación se puede ver el funcionamiento de un regenerador:
